Конструкция фильтра и способ фильтрации (варианты)

Конструкция фильтра и способ фильтрации (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Данная заявка зарегистрирована в качестве международной патентной заявки РСТ на имя компании Donaldson Company, американской национальной корпорации США от 10 августа 2001 года с обозначением всех стран, кроме США, и с приоритетом по заявке в США 60/230138, зарегистрированной 5 сентября 2000 года, и заявке в США №09/871582, зарегистрированной 31 мая 2001 года.

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству фильтра и способу фильтрации. Конкретно заявка относится к устройству для улавливания твердых частиц материала из потока газа, например потока воздуха. Изобретение также относится к способу для достижения целей желательного удаления материала в виде твердых частиц из такого потока газа.

Предпосылки создания изобретения

Настоящее изобретение является дальнейшим развитием технологии компании Donaldson Company, Миннеаполис, штат Миннесота, которая является правопреемником настоящего изобретения. Патентуемый способ относится к дальнейшему развитию технологии, частично включающей предметы изобретения, раскрытые в следующих патентах США: В2 4720292; Des 416308; 5613992; 4020783; и 5112372. Каждый из упомянутых выше патентов также принадлежит компании Donaldson Company, Миннеаполис, штат Миннесота, и полное раскрытие каждого из них включено здесь в качестве ссылки.

Изобретение также относится к полимерному материалу, который обладает повышенной стойкостью к неблагоприятным воздействиям окружающей среды, влияние которой проявляется а виде нагрева, высокой влажности, и механическим нагрузкам. Такие материалы могут использоваться при формировании тонких волокон, например микроволокон и нановолокон, с улучшенной стойкостью и прочностью. Поскольку размер волокна очень мал, срок службы материалов является главной технической задачей, стоящей перед разработчиком. Такие тонкие волокна могут использоваться в разных областях техники. В одном варианте изобретения конструкция фильтра основана на технологии тонкого волокна. Изобретение относится к полимерам, полимерным составам, волокнам, фильтрам, конструкциям фильтров и способам фильтрации. Использование изобретения, в частности, относится к фильтрации твердых частиц из потока текучей среды, например из потока воздуха или жидкости (например, воды). Описанные ниже методики относятся к структурам, имеющим один или несколько слоев тонкого волокна в фильтрующей среде. Составы и размер волокон выбираются с учетом сочетания их свойств и срока службы.

Изобретение относится к полимерным составам с улучшенными свойствами, которые могут использоваться в различных областях промышленности, включая формирование грубых волокон, тонких волокон, микроволокон, нановолокон, волоконных сеток, волокнистых матов, водопроницаемых устройств типа мембран, покрытий или пленок. Полимерные материалы по настоящему изобретению представляют собой составы, которые имеют физические свойства, обеспечивающие полимерному материалу различной физической формы стойкость к неблагоприятным воздействиям влажности, высокой температуры, воздушного потока, химических веществ и механическим нагрузкам.

При создании нетканой среды фильтра из тонкого волокна, в частности из микро- и нановолокна, использовались различные способы. Один из таких способов включает прохождение материала через капиллярную трубку или отверстие либо в виде расплава, либо в растворе, который затем испаряется. Волокна могут также быть сформированы с помощью фильер, которые широко используются для изготовления синтетического волокна типа нейлона. Известно также электростатическое прядение. Такие способы включают использование инжекторов, сопел, капиллярного или подвижного эмиттера. Эти конструкции обеспечивают получение жидких растворов полимера, которые затем подаются в зону сбора электростатическим полем высокого напряжения. По мере того как эти материалы вытягиваются эмиттером и ускоряются в электростатической зоне, волокно становится очень тонким и может быть сформировано в виде волоконной структуры при испарении раствора.

В некоторых областях техники требуются значительно улучшенные материалы, чтобы противостоять условиям высокой температуры от 100(38°C) до 250(120°C) и до 300°F (150°С), влажности от 10 до 90% вплоть до 100% относительной влажности, высокого расхода газа или жидкости и микронных и субмикронных частиц фильтра (в диапазоне от 0.01 микрона до более 10 микрон) и удаляемых абразивных и неабразивных, агрессивных и инертных частиц из потока жидкости или газа.

Соответственно возникает потребность в полимерных материалах, микро- и нановолоконных материалах и структурах фильтра, которые обеспечивают улучшенные свойства при фильтровании воздуха на входе газовых турбин при высокой температуре, высокой влажности и высоких расходах.

Краткое описание изобретения

В настоящем описании предлагаются общие способы очистки входящего воздуха для газотурбинной установки. Эти способы предполагают использование предпочтительной фильтрующей среды. В целом предпочтительная среда для фильтра или барьерной среды, как правило, имеет гофрированную структуру и состоит из тонких волокон. Такая среда имеет определенные преимущества.

Фильтрующая среда включает, по меньшей мере, сетчатый слой из микро- или нановолокна в сочетании с материалом подложки в механически прочной конструкции фильтра. Такие слои обеспечивают превосходную фильтрацию, высокий процент захвата частиц, эффективность при минимальном ограничении потока, когда текучая среда типа газа или жидкости проходит через фильтрующую среду. Подложка может быть расположена вверх по потоку текучей среды, вниз по потоку или помещена во внутренний слой. В различных отраслях промышленности уделяется особое внимание использованию фильтрующих сред для фильтрации, т.е. удаления нежелательных частиц из потока газа или жидкости. Обычный процесс фильтрации состоит в удалении твердых частиц из потока воздуха или потока другого газа или из потока жидкости типа гидравлической жидкости, смазочного масла, топлива, потока воды и т.д. Такие процессы фильтрации требуют механической прочности, химической и физической стойкости микроволокна и материалов подложки. Фильтрующая среда может подвергаться воздействию высоких температур, влажности, механической вибрации и ударам агрессивных и инертных, абразивных или неабразивных частиц в потоке используемой среды. Кроме того, фильтрующая среда часто должна обладать способностью самоочищения, когда через нее пропускается обратный импульс давления (перемена направления потока, чтобы удалить поверхностный слой твердых частиц) или иметь возможность другого механизма очистки, который удаляет определенные частицы с поверхности фильтрующей среды. Такая реверсивная очистка может значительно снизить перепад давления. Как правило, после импульсной очистки эффективность захвата частиц не улучшается, однако импульсная очистка снижает перепад давления, экономя энергию в процессе фильтрации. Такие фильтры могут удаляться для обслуживания и очистки в водных или других чистящих составах. Такую фильтрующую среду часто создают, вращая тонкое волокно и затем формируя слой ткани или нанося микроволокно на пористую подложку. В процессе прядения волокно может формировать физические связи между волокнами, объединяя слой и гарантируя волокнистую поверхность подложки. Такой материал может храниться на складе на поддонах и может быть изготовлен в желательном формате фильтра типа картриджей, плоских дисков, коробок, панелей, рукавов и мешков. В таких конструкциях среда может быть в основном гофрированной или иметь иную форму, подходящую для ее размещения на опорной конструкции.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 представлено типичное электростатическое устройство с эмиттером для производства тонких волокон по настоящему изобретению.

На фигуре 2 показано устройство, используемое для нанесения тонкого волокна на подложку фильтра по технологии, показанной на фигуре 1.

На фигуре 3 изображена типичная внутренняя структура материала подложки и отдельное отображение материала из тонкого волокна по настоящему изобретению в сравнении с небольшими твердыми частицами, т.е. 2 и 5 микрон.

На фигурах 4-11 представлены аналитические спектры электронной спектроскопии для химического анализа (ЭСХА), относящиеся к примеру 13.

На фигуре 12 показана стойкость материала из микроволокна 0,23 и 0,45 микрона из примера 5.

На фигурах 13-16 показана повышенная стойкость материалов примеров 5 и 6 к воздействию температуры и влажности по сравнению с немодифицированным полиамидом, растворимым в растворителе нейлонового сополимера.

На фигурах 17-20 показано, что смесь двух сополимеров, нейлонового гомополимера и нейлонового сополимера после нагревания и объединения с добавками формирует однокомпонентный материал, который не демонстрирует различимые характеристики двух отдельных полимерных материалов, но представляется сшитым или, иначе говоря, химически приведенным к одной фазе.

Фигура 21 - вид сбоку, частично в разрезе на систему фильтрации воздуха для газотурбинной установки, в которой используются способы по настоящему изобретению.

Фигура 22 - вид сбоку, частично в разрезе на систему фильтрации воздуха газотурбинной установки в другом варианте, аналогичной системе, представленной на фигуре 21, но меньшего размера, в которой используются способы по настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

Изобретение предлагает улучшенный полимерный материал. Этот полимер имеет повышенную физическую и химическую стойкость. Тонкое полимерное волокно (микроволокно и нановолокно) может быть сформировано в нужном формате. Нановолокно - волокно диаметром менее 200 нанометров, или 0,2 микрона. Микроволокно - волокно диаметром более 0,2 микрона, но не более чем 10 микрон. Это тонкое волокно может быть выполнено в виде улучшенной многослойной среды для микрофильтрации. Слои тонкого волокна по настоящему изобретению имеют случайное распределение волокон, которые могут быть соединены вместе, чтобы образовать задерживающую сетку. Процесс фильтрации обеспечивается, главным образом, в результате образования барьера из тонких волокон, который препятствует прохождению твердых частиц. Структурные свойства в виде жесткости, прочности, гофрирующей способности обеспечиваются подложкой, на которую наносится тонкое волокно. Тонкие волокна, сцепляющиеся в сетку, имеют такие важные характеристики, как размер микроволокон или нановолокон и относительно небольшие отверстия или пространства между волокнами. Такие пространства между волокнами, как правило, имеют размер приблизительно от 0,01 до 25 микрон, часто приблизительно от 0,1 до 10 микрон. Фильтр включает слой тонкого волокна и слой целлюлозы, толщина которого зависит от выбора соответствующей подложки. Тонкое волокно добавляет менее одного микрона к толщине ко всему слою волокна вместе с фильтрующей средой подложки. В процессе работы фильтры могут останавливать падающую на них частицу, прошедшую через слой тонкого волокна, и могут испытывать существенную поверхностную нагрузку со стороны улавливаемых частиц. Частицы, содержащие пыль или другие примеси, быстро образуют пылевую корку на поверхности тонких волокон, и она поддерживает высокую начальную и общую эффективность при удалении твердых частиц. Даже при сравнительно малых размерах загрязняющих примесей, содержащих частицы размером от 0,01 до 1 микрона, фильтрующая среда способна накапливать очень большое количество пыли.

Описанные здесь полимерные материалы, обладают хорошей стойкостью к нежелательным воздействиям тепла и влаги; они способны работать при высоких расходах, выдерживать импульсную очистку, противостоять истиранию при действии субмикронных твердых частиц, выдерживать механическую очистку фильтров и другие тяжелые условия эксплуатации. Улучшенные характеристики микроволокна и нановолокна достигаются благодаря повышенному качеству полимерных материалов, из которых вырабатывается это микро- и нановолокно. Кроме того, фильтрующая среда согласно изобретению, в которой используются улучшенные полимерные материалы, обеспечивает ряд преимуществ, включая большую эффективность, меньшее ограничение расхода, большую прочность и более длительный срок службы (от действия механического напряжении или воздействия неблагоприятной среды) в присутствии абразивных примесей. Кроме того, она имеет гладкую наружную поверхность без болтающихся волокон или фибрилл. Общая структура фильтрующих материалов обеспечивает более тонкую среду, дающую большую поверхность на единицу объема, меньшую скорость потока через среду, повышенную эффективность и меньшие ограничения расхода.

Предпочтительный вариант по настоящему изобретению включает смесь полимеров, содержащую первый полимер и второй полимер, отличный от первого (отличающийся по типу полимера, молекулярному весу или по физическим свойствам), который обрабатывается при повышенной температуре. Смесь полимеров может реагировать и формировать единый химический компонент или может быть физически объединена в композит процессом обжига. Обжиг подразумевает физическое изменение подобно кристаллизации, снятие напряжения или изменение ориентации напряжений. Предпочтительные материалы с помощью химической реакции превращаются в единый полимерный композит, с тем чтобы с помощью дифференциального сканирующего калориметрического анализа (ДСКА) он определялся как однокомпонентный полимерный материал. Такой материал в комбинации с предпочтительными добавками может создавать поверхностное покрытие из добавок на микроволокне, которое обеспечивает защиту от воздействия масел (олеофобность), защиту от влаги (гидрофобность) или повышенную стойкость при совместном воздействии высокой температуры, высокой влажности и тяжелых условий работы. Тонкое волокно из этого класса материалов может иметь диаметр от 2 микрон до менее 0,01 микрона. Такие микроволокна могут иметь гладкую поверхность, содержащую отдельный слой из материала добавки или внешнее покрытие из материала добавки, который частично растворен на поверхности полимера или вплавлен в нее или то и другое. Предпочтительные материалы для использования в смешанных полимерных системах включают нейлон 6; нейлон 66; нейлон 6-10; сополимеры нейлона (6-66-610) и другие линейные, главным образом алифатические композиты нейлона. Предпочтительная нейлоновая сополимерная смола (SVP-651) анализировалась на молекулярный вес с помощью титрования конечной группы. (J.E.Walz, G.B.Taylor, Определение молекулярного веса нейлона. Химический анализ, т.19, номер 7, стр.448-450 (1947). Величина среднего молекулярного веса (W_n) находилась между 21500 и 24800. Состав оценивался с помощью фазовой диаграммы температуры плавления трехкомпонентного нейлона, содержащего нейлон 6 около 45%, нейлон 66 около 20% и нейлон 610 около 25%. (Стр.286, Справочник по нейлоновым пластикам, ред. Мелвина Кохана, издатель Хансер, Нью-Йорк (1995 г.)

Опубликованные физические свойства смолы SVP-651:

Свойство	Способ ASTM	Единицы	Стандартная величина
Удельный вес	D-792	-	1,08
Поглощение воды	D-570	%	2,5
(погружение в воду на 24 часа)
Твердость	D-240	по Шору	D65
Точка плавления	ДСКА	°C(°F)	154(309)
Прочность на разрыв	D-638	МПа(кг/дюйм2)	50(7,3)
Текучесть
Удлинение при разрыве	D-638	%	350
Модуль изгиба	D-790	МПа(кг/дюйм2)	180(26)
Объемное удельное сопротивление	D-257	Ом/см	1012

В таких полимерных системах может использоваться поливиниловый спирт со степенью гидролиза от 87 до 99,9%. Предпочтительно, чтобы такие полимерные системы были сшиты. Наиболее предпочтительно, чтобы они были сшиты и содержали значительными количествами олеофобных и гидрофобных добавок.

Другой предпочтительный вариант изобретения включает однокомпонентный полимерный материал с добавками для продления срока службы волокна или улучшения эксплуатационных характеристик. Предпочтительные полимеры, применяемые в этом варианте изобретения, включают полимеры нейлона, полимеры поливинилиденхлорида, полимеры поливинилиденфторида, полимеры поливинилового спирта и в особенности материалы в сочетании с сильными олеофобными и гидрофобными добавками, что может в результате дать микроволокно или нановолокно с добавками в покрытии на поверхности тонкого волокна. В настоящем изобретении также применимы смеси подобных полимеров, такие как смеси нейлонов, полимеров поливинилхлорида, смеси полимеров поливинилиденхлорида. Кроме того, полимерные смеси или сплавы различных полимеров также включены в это изобретение. В этом отношении для формирования микроволоконных материалов по настоящему изобретению пригодны смеси совместимых полимеров. Могут быть использованы составы из добавок, таких как фтористые поверхностно-активные вещества, неионные поверхностно-активные вещества, смолы с низким молекулярным весом, например третичная бутилфеноловая смола, имеющая молекулярный вес менее 3000. Эта смола характеризуется олигомерной связью между фенольными ядрами при отсутствии метиленовых мостовых групп. Положения гидроксила и третичной бутиловой группы могут устанавливаться произвольно по кольцу. Связи между фенольными ядрами всегда находятся возле гидроксильной группы, а не располагаются произвольно. Подобным же образом полимерный материал может быть объединен со спирторастворимой нелинейной полимеризованной смолой, полученной из бисфенола А. Такой материал подобен описанной выше третичной бутилфеноловой смоле, в том смысле, что он сформирован с использованием олигомерных связей, которые непосредственно соединяют ароматические кольца друг с другом при отсутствии каких-либо мостовых групп, таких как алкиленовые или метиленовые группы.

Наиболее предпочтительный материал по настоящему изобретению содержит нановолокно, имеющее размер примерно от 0,001 до 5 микрон. Наиболее предпочтительный размер волокна лежит в диапазоне между 0,001 до 0,2 микрона. Такие волокна обеспечивают превосходную работу фильтра, легкость очистки обратным импульсом и другие преимущества. Самые предпочтительные системы полимеров согласно изобретению имеют такую характеристику сцепления, что при контакте с целлюлозной подложкой прочно сцепляются с ней и могут противостоять расслаивающему действию очистки обратным импульсом и другим механическим нагрузкам. В таком режиме полимерный материал должен оставаться соединенным с подложкой при воздействии импульса очистки, что в основном соответствует обычным условиям фильтрации за исключением действия импульсной очистки в обратном направлении сквозь фильтрующую среду. Такое сцепление может возникнуть при действии растворителя в процессе формирования волокна, когда волокно контактирует с подложкой, или в процессе последующей обработки волокна на подложке нагреванием или давлением. Было найдено, что характеристики полимера играют важную роль в осуществлении сцепления, так же как и конкретные химические реакции, например, реакции с водородном, причем контакт между полимером и подложкой происходит при температуре выше или ниже температуры стеклования (Tg), при этом состав полимера включает добавки. Полимеры, пластифицированные растворителем или водяным паром, могут обеспечить хорошее сцепление.

Важным аспектом изобретения является использование описанных микроволоконных и нановолоконных материалов в структуре фильтра. В такой структуре материалы из тонких волокон согласно изобретению формируются на подложке фильтра и сцепляются с ней. Могут использоваться подложки из природных и синтетических волокон, например, пряденые ткани, нетканые полотна из синтетического волокна и нетканые материалы, изготовленные из смеси целлюлозных, синтетических и стеклянных волокон; нетканые и тканые стеклянные полотна, штампованный лили перфорированный пластиковый экран, а также ультратонкие и среднетонкие мембраны из органических полимеров. Листовая подложка или целлюлозная нетканая сетка может быть встроена в фильтрующую среду, которая помещается на пути потока воздуха или жидкости для удаления из этого потока взвешенных в нем или увлекаемых им твердых частиц. Форма и структура материала фильтра выбираются проектировщиком. Важным параметром элементов фильтра после формирования является способность противостоять воздействию тепла, влажности или того и другого. Одной из особенностей фильтрующей среды согласно изобретению является ее способность сохраняться при погружении в теплую воду в течение значительного времени. Тест на погружение может дать полезную информацию относительно способности тонкого волокна сохранять работоспособность в условиях влажности при высокой температуре и при очистке элемента фильтра в водных растворах, которые могут содержать значительное количество сильнодействующих чистящих поверхностно-активных веществ и щелочных материалов. Нановолоконные материалы согласно изобретению могут сохранять работоспособность при погружении в горячую воду, сохраняя, по меньшей мере, 50% тонких волокон, сформированных на поверхности подложки. Сохранение, по меньшей мере, 50% тонких волокон может обеспечить достаточную эффективность волокна без потери фильтрующей способности или повышения обратного давления. Наиболее предпочтительным является сохранение, по меньшей мере, 75% волокон.

Микро- и нановолокна, образующие слой согласно изобретению, представляют собой волокно диаметром от приблизительно 0,001 микрона до 10 микрон, 0,001 до 2 микрон, 0,05-0,5 микрона, предпочтительно от 0,01 до 0,2 микрона. Толщина типичного фильтрующего слоя из тонких волокон лежит в диапазоне от 1 до 100 диаметров волокна с удельным весом порядка 0,01-240 мкг/см^-2.

Потоки воздуха или газа часто содержат твердые частицы, которые необходимо удалять. Например, воздух для вентиляции кабин автомобилей, воздух в дисководах компьютеров, воздух в системах отопления, вентиляции и кондиционирования, воздух жилых помещений, воздух, подаваемый к двигателям автомобилей или к силовому генераторному оборудованию; потоки газа, направляемые к газовым турбинам, и потоки воздуха к различным камерам сгорания часто содержат твердые частицы. Для их удаления используются твердые частицы, заградительные ткани, тканые материалы и рукавные фильтры. В случае воздушного фильтра для салона автомобиля желательно удалить твердые частицы, чтобы обеспечить комфортные условия для пассажиров и/или эстетику салона. В случае потоков воздуха и газа во впускных коллекторах двигателей, газовых турбин и камер сгорания необходимо удалить твердые частицы, потому что они могут повредить внутренние рабочие органы машины. В других случаях промышленные газы производственных процессов или выхлопные газы двигателей также могут содержать материал в виде твердых частиц. Прежде чем такие газы могут быть выброшены в атмосферу через различные последующие устройства, желательно удалить большую часть твердых частиц из этих потоков.

Общее понимание некоторых основных принципов и проблем, связанных с расчетами воздушных фильтров, может быть получено при рассмотрении следующих типов фильтрующей среды: среды с поверхностной загрузкой и глубинной среды. Каждый из этих типов среды хорошо изучен и широко используется. Принципы их действия описаны, например, в патентах США 5082476; 5238474 и 5364456. Полные описания этих трех патентов включены в качестве ссылок.

Срок службы фильтра обычно определяется выбранным максимальным перепадом давления на фильтре. Перепад давления на фильтре определяет срок службы на уровне, определенном для данного применения или данной конструкции. Следует понимать, что, как правило, чем больше эффективность (КПД) фильтрующей среды по удалению твердых частиц из потока газа, тем быстрее фильтрующая среда достигнет перепада давления, определенного как предельный срок службы (считая, что другие переменные величины не изменяются). В этом описании термин «неизменно для целей фильтрации» означает поддержание достаточной эффективности удаления твердых частиц из текущего потока, необходимой для выбранной области применения фильтра. Слои тонкого волокна, формируемые на подложке фильтров по настоящему изобретению должны быть в основном однородны как по распределению волокна, так и по рабочим характеристикам. Под однородностью мы понимаем то, что волокно в достаточной мере охватывает подложку, чтобы иметь, по меньшей мере, некоторую измеряемую эффективность фильтрации по всей покрытой волокнами подложке. Необходимая фильтрация может быть обеспечена в широком диапазоне изменения состава волокна. Соответственно слои тонкого волокна могут измениться по площади покрытия подложки волокном, удельному весу, толщине слоя или другим параметрам волокна, которые определяются рамками настоящего изобретения. Даже относительно небольшая добавка тонкого волокна может увеличить эффективность всего фильтра.

Полимерные материалы были изготовлены из нетканых и тканых тканей, волокон и микроволокон. Полимерный материал обеспечивает физические свойства, требуемые для стойкости изделия. Эти материалы должны иметь в основном одинаковый размер, небольшой молекулярный вес, не терять гибкости и не растрескиваться под действием механических напряжений или ухудшаться физически под воздействием солнечного света, влажности, высоких температур или других отрицательных влияний окружающей среды. Изобретение относится к улучшенному полимерному материалу, который может поддерживать физические свойства под воздействием падающего электромагнитного излучения типа света окружающей среды, высокой температуры, влажности и других физических нагрузок.

Полимерные материалы, которые могут быть использованы в полимерных составах согласно изобретению, включают как полимерные материалы присоединения, так и полимеры конденсации, такие как полиолефин, полиацетал, полиамид, полиэфир, простой и сложный эфир целлюлозы, полиалкиленсульфид, полиариленоксид, полисульфон, модифицированные полимеры полисульфона и их смеси. Предпочтительные материалы, которые входят в эти родовые классы, включают полиэтилен, полипропилен, поли(винилхлорид), полиметилметакрилат (и другие акриловые смолы), полистирол и их сополимеры (включая сополимеры блока типа АВА), поли(винилиденфторид), поли(винилиденхлорид), поливиниловый спирт в разных степенях гидролиза (от 87 до 99,5%) в сшитые и не сшитые. Предпочтительные полимеры присоединения, как правило, бывают стекловидными (Tg выше комнатной температуры). Это справедливо для поливинилхлорида и полиметилметакрилата, композитов или сплавов полимера полистирола или низкомолекулярных кристаллических материалов поливинилиденфторида и поливинилового спирта. Одним классом полиамидных конденсационных полимеров являются нейлоновые материалы. Термин «нейлон» - родовое название для всех синтетических полиамидов с длинной цепью. Обычно номенклатура нейлона включает ряд чисел, как, например, в нейлоне 6,6, которые означают, что исходными материалами являются диамин С₆ и двухосновная кислота С₆ (при этом первая цифра показывает диамин С₆, а вторая цифра показывает компаунд дикарбоновой кислоты C₆). Другой нейлон может быть получен поликонденсацией эпсилон капролактама в присутствии небольшого количества воды. Эта реакция образует нейлон-6 (полученный из циклического лактама, также известного как эпсилон-аминокапроновая кислота), который является линейным полиамидом. Кроме того, рассматриваются также сополимеры нейлона. Сополимеры могут быть получены путем объединения различных соединений диамина, различных соединений двухосновной кислоты и различных составов циклического лактама в реагирующей смеси, а затем формирования нейлона с произвольно расположенными мономерными материалами в полиамидную структуру. Например, материал нейлон 6, 6-6, 10 - нейлон, полученный из гексаметилендиамина и смеси C₆ и С₁₀ двукислотных компонентов. Нейлон 6-6, 6-6,10 - нейлон, полученный путем сополимеризации эпсилонаминокапроновой кислоты, гексаметилендиамина и смеси двукислотного материала С₆ и С₁₀.

Для реализации настоящего изобретения также могут быть использованы блок-сополимеры. С такими сополимерами важно выбрать растворитель (агент набухания). Выбранный растворитель должен быть таким, чтобы в нем растворялись оба блока. Одним примером является полимер АВА (стирол-ЕР-стирол) или АВ (стирол-ЕР) в растворителе типа метилен хлорида. Если один компонент не растворяется в этом растворителе, он образует гель. Примерами таких блок-сополимеров являются состав Kraton® из стирол-b-бутадиена и стирол-b-гидрогенизированного бутадиена (этилен пропилена), состав Pebax® из е-капролактама-b-окиси этилена, Simpatex® полиэфир-b-окись этилена и полиуретаны окиси этилена и изоцианатов.

Полимеры присоединения, такие как поливинилиденфторид, синдиотактический полистирол, сополимер винилиденфторида и гексафторопропилена, поливиниловый спирт, поливинилацетат, аморфные аддитивные полимеры, такие как поли(акрилонитрил) и его сополимеры с акриловой кислотой и метакрилатами, полистирол, поли(винилхлорид) и его различные сополимеры, поли(метилметакрилат) и его различные сополимеры могут быть сравнительно легко спрядены в растворе, потому что они растворимы при низких давлениях и температурах. Однако для высококристаллического полимера, такого как полиэтилен и полипропилен, требуется раствор с высокой температурой и высоким давлением, если они должны быть спрядены в растворе. Поэтому прядение полиэтилена и полипропилена в растворе весьма затруднительно. Одним из способов производства нановолокон и микроволокон является электростатическое прядение в растворе.

Выявляются существенные преимущества при формировании полимерных составов, содержащих два и несколько полимерных материалов в виде смеси полимеров в формате сплава или в сшитых химических составах. Мы убеждены, что создание таких полимерных композитов улучшает их физические свойства путем изменения свойств полимера, например, путем увеличения гибкости или подвижности полимерной цепи, увеличения общего молекулярного веса и повышения прочности путем образования сеток из полимерных материалов.

В одном варианте такого исполнения два родственных полимерных материала могут быть смешаны для получения необходимых свойств. Например, высокомолекулярный поливинилхлорид может быть смешан с низкомолекулярным поливинилхлоридом. Подобным же образом высокомолекулярный нейлоновый материал может быть смешан с низкомолекулярным нейлоновым материалом. Кроме того, могут быть смешаны различные категории общего полимерного вида. Например, материал высокомолекулярного стирола может быть смешан с высокопрочным низкомолекулярным полистиролом. Материал нейлон-6 может быть смешан с сополимером нейлона, таким как сополимер нейлон-6; 6,6; 6,10. Кроме того, поливиниловый спирт, имеющий низкую степень гидролиза, например 87%, и гидролизный поливиниловый спирт, могут быть смешаны с гидролизованным или сверхгидролизованным поливиниловым спиртом, имеющим степень гидролиза между 98 и 99,9% и выше. Все эти материалы в смеси могут быть сшиты с использованием соответствующих механизмов образования поперечных связей. Нейлоны могут быть сшиты с использованием агентов поперечной связи, которые вступают в реакцию с атомом азота и образуют амидную связь. Молекулы поливинилового спирта могут быть сшиты с использованием гидроксильных химически активных материалов, таких как моноальдегиды, например формальдегид, мочевина, меламин-формальдегидная смола и ее аналоги, борная кислота и другие неорганические соединения, диальдегиды, двукислотные компоненты, уретаны, эпоксиды и другие известные агенты для образования поперечных связей. Технология образования поперечных связей (сшивание полимеров) - хорошо известное явление, в котором создающие поперечные связи реагенты реагируют и образуют ковалентные связи между полимерными цепями, чтобы существенно повысить молекулярный вес, химическую стойкость, общую прочность и стойкость к механическому разрушению.

Мы обнаружили, что добавки могут значительно улучшить свойства полимерных материалов, имеющих форму тонких волокон. Стойкость к воздействию тепла, влаги, удара, механической нагрузки и других вредных влияний окружающей среды может быть значительно повышена с помощью добавок. Мы обнаружили, что при обработке микроволоконных материалов согласно изобретению добавки улучшают олеофобные и гидрофобные свойства и могут содействовать повышению химической стойкости этих материалов. Мы убеждены, что тонкие волокна согласно изобретению улучшаются благодаря присутствию этих олеофобных и гидрофобных добавок, поскольку они образуют слой защитного покрытия, размытую поверхность или проникают в поверхность на некоторую глубину, улучшая основные свойства полимерного материала. Мы убеждены, что важной характеристикой этих материалов является присутствие сильной гидрофобной группы, которая может предпочтительно иметь также и олеофобный характер. Сильные гидрофобные группы включают фторуглеродные группы, гидрофобные углеводородные поверхностно активные вещества или блоки и в основном углеводородные олигомерные композиты. Эти материалы производятся в виде композитов, которые содержат часть молекул, в основном совместимых с полимерным материалом, создавая стандартную физическую связь или соединение с полимером, в то время как сильно гидрофобная или олеофобная группа, полученная в результате связи добавки с полимером, формирует защитный поверхностный слой, который остается на поверхности или сплавляется или смешивается с поверхностными слоями полимера. Для 0,2-микронного волокна с уровнем добавок 10% рассчитанная толщина поверхности равна примерно 50 Å, если добавки переместились к поверхности. Предполагается, что перемещение происходит благодаря несовместимости олеофобных или гидрофобных групп с основной массой материала. Толщина порядка 50 Å оказывается достаточной для защитного покрытия. Для волокна диаметром 0,05 микрона толщина в 50 Å соответствует 20% массы. Для толщины волокна 2 микрона толщина 50 Å соответствует 2% массы. Предпочтительно, чтобы добавки использовались в количестве примерно 2-25% по весу. Олигомерные добавки, которые могут использоваться в сочетании с полимерными материалами согласно изобретению, включают олигомеры, имеющие молекулярный вес примерно от 500 до 5000, предпочтительно примерно от 500 до 3000, включая фтористые соединения, неионные поверхностно активные вещества и смолы или низкомолекулярные олигомеры.

Фторорганические смачивающие вещества, применяющиеся в этом изобретении, представляют собой органические молекулы, выраженные формулой

R_f-G,

в которой R_f - фторзамещенный алифатический радикал, a G - группа, которая содержит, по меньшей мере, одну гидрофильную группу, такую как катионная, анионная, неионная или амфионная группы. Предпочтительными являются неионные материалы. R_f - фторированный одновалентный алифатический органический радикал, содержащий, по меньшей мере, два атома углерода. Предпочтительно, чтобы это был насыщенный перфторалифатический одновалентный органический радикал. Однако в качестве заместителей в скелетной цепи могут присутствовать атомы водорода или хлора. Поскольку радикалы, содержащие большое количество атомов углерода, могут содействовать процессу, предпочтительны соединения, содержащие не более 20 атомов углерода, поскольку большие радикалы обычно снижают эффективность использования фтора, чем это возможно с более короткими скелетными цепями. Предпочтительно, чтобы R_f содержал от 2-8 атомов углерода.

Катионные группы, которые могут использоваться во фторорганических агентах, применяемых в настоящем изобретении, могут включать аминную или четвертич